土壤源热泵系统的埋管设计计算

制冷快报讯：地源热泵系统在我国长江流域及其周围地区具有广阔的应用前景，但有关影响土壤源热泵系统广泛应用的主要因素(如地下热交换器的传热强化、土壤性质等)的研究还很有限，根据各个地方的地质条件，采取相应的埋管方式，我们在设计时，大致可以考虑先遵循一些基本的地源热泵埋管设计原则。

设计原则如下：

( 1)若建筑物周围可利用地表面积充足，应首先考虑采用比较经济的水平埋管方式;相反，若建筑物周围可利用地表面积有限，应采用竖直U型埋管方式。

( 2)尽管可以采用串联、并联方式连接埋管，但并联方式采用小管径，初投资及运行费用均较低，所以在实际工程中常用，且为了保持各并联环路之间阻力平衡，最好设计成同程式。

( 3)选择管径时，除考虑安装成本外，一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m(当量长度)以下，同时应使管内流动处于紊流过渡区。

1 土壤源热泵系统设计的主要步骤

(1)建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算

建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。

冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式计算：

Q1'= Q1*(1+1/COP1) kW

Q2'= Q2*(1-1/COP2) kW

其中 Q1'——夏季向土壤排放的热量，kW

Q1——夏季设计总冷负荷，kW

Q2'——冬季从土壤吸收的热量，kW

Q2——冬季设计总热负荷，kW

COP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数

COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数

一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的 COP1、COP2 。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。

( 2)地下热交换器设计

这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容，主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。

( 3)其它

2 地下热交换器设计

2.1 选择热交换器形式

2.1.1 水平(卧式)或垂直(立式)

在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。

根据埋管方式不同，垂直埋管大致有 3种形式：(1)U型管(2)套管型(3)单管型。套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失。单管型的使用范围受水文地质条件的限制。U型管应用最多，管径一般在50mm以下，埋管越深，换热性能越好，资料表明：最深的U型管埋深已达180m。U型管的典型环路有3种，其中使用最普遍的是每个竖井中布置单U型管。

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